Способ для измерения импеданса во многих точках объекта и устройство для его осуществления

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для высокоэффективного контроля объектов, в качестве информативного параметра которых используют электрический импеданс.

Способ включает определение глубины пропитки объекта расположением измерительных электродов в виде овальной формы с числом 2n на участке объекта, измерение импедансов между всеми ближайшими соседними измерительными электродами в первой серии, импедансов между всеми измерительными электродами во второй серии с отличием на единицу, сравнение результатов, по которым судят о глубине пропитки. Устройство содержит генератор переменного напряжения, четырехплечую мостовую измерительную цепь, масштабный усилитель, операционный усилитель, амплитудный выпрямитель, аналого-цифровой преобразователь, вычислительное устройство и два мультиплексора. В него дополнительно введены 2n-е число измерительных электродов, формирователь прямоугольных импульсов и блок управления мультиплексорами, при этом измерительные электроды расположены на объекте в виде овальной формы и соединены с информационными входами мультиплексоров, измерительные электроды от 1 до 2n-1 соединены с первым мультиплексором, а со второго по 2n со вторым мультиплексором, вход формирователя прямоугольных импульсов соединен с генератором переменного напряжения, а выход с входом блока управления мультиплексорами, два равных выходов которого соответственно соединены с адресными входами первого и второго мультиплексоров. Технический результат заключается в повышении точности измерения импеданса, расширении функциональных возможностей и повышении информации об объекте измерения и контроля. 2 н.п. ф-лы., 1 ил.

 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для высокоэффективного контроля объектов, в качестве информативного параметра которых используют электрический импеданс.

Известен способ определения электрического иммитанса, предусматривающий определение напряжений на объекте и образцовой мере дважды, шунтируя одним и тем же импедансом утечки различные участки измерительной цепи, напряжения на которых отличаются между собой и когерентны с напряжением генератора, после чего измеряемая величина иммитанса находится расчетным путем (см. авт.свид. SU №1659880, МПК⁵ G01R 17/12, 27/02, опубл. 30.06.1991).

Недостатками способа являются необходимость использования дополнительной образцовой меры с известным и постоянным значением, нескольких дополнительных подключений образцовой меры к различным участкам измерительной цепи, что существенно снижает скорость измерения, а также измерение иммитанса только в двух точках объекта, поэтому его использование повышает трудоемкость процесса измерения, увеличивая его длительность и ограничивая возможности способа.

Наиболее близким к заявленному способу является способ определения глубины пропитки бетона, заключающийся в проведении измерений импеданса в нескольких точках по длине объекта и определении глубины пропитки путем сравнения измеренных импедансов и по ним определяют измеряемые импедансы [см. патент RU №2333482, МПК⁹ G01N 27/02, G01R 27/02, опубл. 10.09.2008].

Недостатками прототипа являются те, что измерение осуществляют в режиме неуравновешивания измерительной цепи, которая не обеспечивает высокую точность измерения, в связи с чем снижается достоверность результатов измерений, кроме того, приходится переустанавливать измерительные электроды в новых точках объекта для проведения очередного измерения, что существенно удлиняет время измерений.

Способ также не обеспечивает исключение влияния импедансов измерительных электродов и контактов в местах соприкосновения измерительных электродов с объектом, а также импедансов поверхностных слоев объекта на точность измерения, в связи с чем возникла техническая задача разработки способа, исключающего эти недостатки.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство для измерения импеданса во многих точках объекта в результате использования n-го числа измерительных электродов, содержащее генератор переменного напряжения, четырехплечую мостовую измерительную цепь, образованную первым, вторым и третьим элементами, первый операционный усилитель, выход которого соединен с общим выводом первого и второго элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, инвертирующий вход - с общим выводом второго и третьего элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, неинвертирующий вход соединен с первым выходом генератора переменного напряжения, второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и общим выводом второго и третьего элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, а инвертирующий вход соединен с другим выводом первого элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, другой вывод третьего элемента и второй выход генератора переменного напряжения заземлены, масштабный усилитель, вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, амплитудный выпрямитель, вход которого соединен с выходом масштабного усилителя, аналого-цифровой преобразователь АЦП, вход которого соединен с выходом амплитудного выпрямителя, вычислительное устройство, вход которого соединен с выходом АЦП, два мультиплексора, выход первого мультиплексора соединен с выходом второго операционного усилителя и входом масштабного усилителя, а выход второго мультиплексора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и выводом первого элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, один выход вычислительного устройства соединен с входом управления третьего элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, второй выход вычислительного устройства соединен с входом управления масштабного усилителя (см. патент RU №2104668, МПК⁶ А61В 5/05, опубл. 20.02.1998).

Недостатками прототипа устройства являются определение импедансов объекта только по его длине и невозможность определения импеданса между парой крайних измерительных электродов.

Технической задачей предлагаемого технического решения является повышение точности измерения импеданса, расширение функциональных возможностей и повышение информации об объекте измерения и контроля.

Решение технической задачи достигается тем, что в предложенном способе для измерения импеданса во многих точках объекта, включающем измерение импеданса в точках измерительными электродами по длине объекта и определение измеряемого импеданса путем сравнения их результатов, согласно изобретению, располагают измерительные электроды в виде овальной формы с числом 2п на участке объекта, измеряют импедансы между всеми ближайшими соседними измерительными электродами в первой серии, импедансы между всеми измерительными электродами во второй серии с отличием на единицу, сравнивают эти результаты и определяют импедансы по формуле:

$$Z_{Xi}=\frac{Z_{(i-1),(i+1)}+Z_{i,(i+2)}-Z_{(i-1),i}-Z_{(i+1),(i+2)}}{2}$$ ,

где i=1…2n.

А также достигается устройством для измерения импеданса во многих точках объекта, содержащим генератор переменного напряжения, четырехплечую мостовую измерительную цепь, образованную первым, вторым и третьим элементами, первый операционный усилитель, выход которого соединен с общим выводом первого и второго элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, инвертирующий вход - с общим выводом второго и третьего элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, неинвертирующий вход соединен с первым выходом генератора переменного напряжения, второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и общим выводом второго и третьего элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, а инвертирующий вход соединен с другим выводом первого элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, другой вывод третьего элемента и второй выход генератора переменного напряжения заземлены, масштабный усилитель, вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, амплитудный выпрямитель, вход которого соединен с выходом масштабного усилителя, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом амплитудного выпрямителя, вычислительное устройство, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, два мультиплексора, выход первого мультиплексора соединен с выходом второго операционного усилителя и входом масштабного усилителя, а выход второго мультиплексора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и выводом первого элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, один выход вычислительного устройства соединен с входом управления третьего элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, второй выход вычислительного устройства соединен с входом управления масштабного усилителя, согласно изобретению, в него дополнительно введены 2n-е число измерительных электродов, формирователь прямоугольных импульсов и блок управления мультиплексорами, при этом измерительные электроды расположены на объекте в виде овальной формы и соединены с информационными входами мультиплексоров, причем от 1 до (2n-1) измерительные электроды соединены с первым мультиплексором, а со второго по 2n - со вторым мультиплексором, вход формирователя прямоугольных импульсов соединен с генератором переменного напряжения, а выход с входом блока управления мультиплексорами, два равных выходов которого соответственно соединены с адресными входами первого и второго мультиплексоров.

Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой приведена структурная схема устройства для измерения импеданса во многих точках объекта.

Устройство включает в себя четырехплечую мостовую измерительную цепь, состоящую из первого 1 (Z₁), второго 2 (Z₄) и управляемого третьего 3 (Z₃) элементов. Четвертым элементом четырехплечей мостовой измерительной цепи является, собственно, объект 4 измерения.

Устройство также состоит из первого 5 и второго 6 операционных усилителей (ОУ₁, ОУ₂), генератора 7 переменного напряжения (ГПН), масштабного усилителя 8 (МУ), амплитудного выпрямителя 9 (АВ), аналого-цифрового преобразователя 10 (АЦП), вычислительного устройства 11 (ВУ), двух мультиплексоров 12 и 13, формирователя прямоугольных импульсов 14 (ФПИ) и блока управления мультиплексорами 15 (БУМ), 2n числа измерительных [16-(16+2n)] электродов (ИЭ₁-ИЭ_2n) и соединительных проводов от (17+2n) до (16+4n).

Способ реализуется предлагаемым устройством и осуществляется следующим образом.

После пропитки объекта 4, например, бетонного изделия, на него располагают 2n-е число измерительных электродов от 16 до (16+2n) в виде овальной формы. При этом с 1-го по (2n-1) измерительные электроды подключают к информационным входам И мультиплексора 12 (Ms₁) с помощью соединительных проводов от (17+2n) по (15+4n), а с помощью соединительных проводов от 2-го по 2n - к информационным входам И мультиплексора 13 (Ms₂) с помощью соединительных проводов от (18+2n) по (16+4n). В результате такого включения измерительных электродов от ИЭ₁ до ИЭ_2n проводят измерения импедансов во многих точках объекта 4 в две серии, вначале между ближайшими соседними измерительными электродами (ИЭ₁-ИЭ_2n), а затем - между измерительными электродами, находящимися через один измерительный электрод. Выходное напряжение устройства, получаемое на выходе операционного усилителя 6 (ОУ₂), определяют по формуле: U_B1=U_Э(1-Y₁Y₃Z₄Z₂), поэтому первая серия измерений представлена системой уравнений:

$${\text{U}}_{\text{В1}}={\text{U}}_{\text{Э}}{\text{[(1-Y}}_{\text{1}}{\text{Y}}_{\text{3}}{\text{Z}}_{\text{4}}{\text{(Z}}_{\text{K1}}+{\text{Z}}_{\text{Х1}}+{\text{Z}}_{\text{K2}}\text{)]}$$

$${\text{U}}_{\text{В2}}={\text{U}}_{\text{Э}}{\text{[(1-Y}}_{\text{1}}{\text{Y}}_{\text{3}}{\text{Z}}_{\text{4}}{\text{(Z}}_{\text{K2}}+{\text{Z}}_{\text{Х2}}+{\text{Z}}_{\text{K3}}\text{)]}$$

$$\begin{array}{l}{\text{U}}_{\text{В3}}={\text{U}}_{\text{Э}}{\text{[(1-Y}}_{\text{1}}{\text{Y}}_{\text{3}}{\text{Z}}_{\text{4}}{\text{(Z}}_{\text{K3}}+{\text{Z}}_{\text{X3}}+{\text{Z}}_{\text{K4}}\text{)]}\\ ⋮\end{array}$$

$${\text{U}}_{\text{В(2n-1)}}={\text{U}}_{\text{Э}}{\text{[(1-Y}}_{\text{1}}{\text{Y}}_{\text{3}}{\text{Z}}_{\text{4}}{\text{(Z}}_{\text{K(2n-1)}}+{\text{Z}}_{\text{X(2n-1)}}+{\text{Z}}_{\text{K2n}}\text{)]}$$

$${\text{U}}_{\text{В2n}}={\text{U}}_{\text{Э}}{\text{[(1-Y}}_{\text{1}}{\text{Y}}_{\text{3}}{\text{Z}}_{\text{4}}{\text{(Z}}_{\text{K2n}}+{\text{Z}}_{\text{X2n}}+{\text{Z}}_{\text{K1}}\text{)]}$$

где U_Bi - выходное напряжение, получаемое на выходе ОУ₁;

U_Э - напряжение питания, снимаемое с выхода ГПН;

Z₂ - измеряемый импеданс, представляемый суммой импедансов:

Z_Ki+Z_Xi+Z_K(i+1) (Z_Xi - измеряемый информативный параметр или импеданс внутреннего слоя объекта между двумя измерительными электродами, Z_Ki - неинформативные параметры, влияние которых па точность измерения необходимо устранить, или импедансы измерительных электродов и контактов в местах соприкосновения измерительных электродов с объектом, а также импедансы поверхностных слоев объекта, i=1…2n);

Y₁=1/Z₁, Y₃=1/Z₃, Z₄ - импедансы первого 1, второго 2, третьего 3 элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи.

Вторая серия измерений представлена системой уравнений:

$${\text{U}}_{{}_{\text{В1}}}^{\text{'}}={\text{U}}_{\text{Э}}{\text{[(1-Y}}_{\text{1}}{\text{Y}}_{\text{3}}{\text{Z}}_{\text{4}}{\text{(Z}}_{\text{K1}}+{\text{Z}}_{\text{Х2}}+{\text{Z}}_{\text{K3}}\text{)]}$$

$${\text{U}}_{{}_{\text{В2}}}^{\text{'}}={\text{U}}_{\text{Э}}{\text{[(1-Y}}_{\text{1}}{\text{Y}}_{\text{3}}{\text{Z}}_{\text{4}}{\text{(Z}}_{\text{K2}}+{\text{Z}}_{\text{Х2}}+{\text{Z}}_{\text{K4}}\text{)]}$$

$$\begin{array}{l}{\text{U}}_{{}_{\text{В3}}}^{\text{'}}={\text{U}}_{\text{Э}}{\text{[(1-Y}}_{\text{1}}{\text{Y}}_{\text{3}}{\text{Z}}_{\text{4}}{\text{(Z}}_{\text{K3}}+{\text{Z}}_{\text{X4}}+{\text{Z}}_{\text{K5}}\text{)]}\\ ⋮\end{array}$$

$${\text{U}}_{\text{В(2n-2)}}={\text{U}}_{\text{Э}}{\text{[(1-Y}}_{\text{1}}{\text{Y}}_{\text{3}}{\text{Z}}_{\text{4}}{\text{(Z}}_{\text{K(2n-2)}}+{\text{Z}}_{\text{X(2n-2)}}+Z_{X(2n-1)}+{\text{Z}}_{\text{K2n}}\text{)]}$$

$${\text{U}}_{\text{В(2n-1)}}={\text{U}}_{\text{Э}}{\text{[(1-Y}}_{\text{1}}{\text{Y}}_{\text{3}}{\text{Z}}_{\text{4}}{\text{(Z}}_{\text{K(2n-1)}}+{\text{Z}}_{\text{X(2n-1)}}+Z_{X2n}+{\text{Z}}_{\text{K1}}\text{)]}$$

$${\text{U}}_{{}_{\text{В2n}}}^{\text{'}}={\text{U}}_{\text{Э}}{\text{[(1-Y}}_{\text{1}}{\text{Y}}_{\text{3}}{\text{Z}}_{\text{4}}{\text{(Z}}_{\text{K2n}}+{\text{Z}}_{\text{X2n}}+Z_{X1}+{\text{Z}}_{\text{K2}}\text{)]}$$ _,

где Z₂ - измеряемый импеданс, представленный суммой импедансов:

Z_Ki+Z_Xi+Z_X(i+1)+Z_K(i+2).

Напряжения с выхода операционного усилителя 6 (ОУ₂) подают на вход масштабного усилителя 8 (МУ), коэффициент усиления которого устанавливает вычислительное устройство 11 (ВУ). Напряжения с выхода масштабного усилителя 8 (МУ) подают на амплитудный выпрямитель 9 (АВ) и выпрямленное напряжение подают на ЛЦП 10, с выхода которого кодовый сигнал поступает на вычислительное устройство 11 (ВУ), управляющий величиной переменного резистора 3 (Z₃). Генератор переменного напряжения 7 (ГПН) подает на четырехплечую мостовую измерительную цепь переменное напряжение в широком диапазоне частот для измерения как реактивных, так и активных составляющих импедансов. Переключение мультиплексоров 12 и 13 и обеспечение 2-х серий измерений обеспечивают формирователь прямоугольных импульсов 14 (ФПИ) и блок управления мультиплексорами 15 (БУМ). На вход ФПИ 14 сигнал поступает от ГПН 7. Короткие прямоугольные импульсы от ФПИ 14 в БУМ 15 преобразуют в два кодовых сигнала управления адресными входами А мультиплексоров 12 и 13 (Ms₁ и Ms₂). Кодовые сигналы на выходе БУМ имеют одинаковую разрядность, но для второй серии измерений отличаются на единицу младшего разряда кодовых комбинаций. Разрядность кодовых сигналов пропорциональна двоичному логарифму от числа измерительных электродов - 2n. Из систем уравнений вычислительным устройством 11 определяют величины импедансов между измерительными электродами i и (i+1), а также между i и (i+2):

$$\begin{array}{cc}{Z}_{\mathrm{1,2}}=Z_{K1}+Z_{X1}+Z_{K2}& Z_{\mathrm{1,3}}=Z_{K1}+Z_{X1}+Z_{X2}+Z_{K3}\\ Z_{\mathrm{2,3}}=Z_{K2}+Z_{X2}+Z_{K3}& Z_{\mathrm{2,4}}=Z_{K2}+Z_{X2}+Z_{X3}+Z_{K4}\\ Z_{\mathrm{3,4}}=Z_{K3}+Z_{X3}+Z_{K4}& Z_{\mathrm{3,5}}=Z_{K3}+Z_{X3}+Z_{X4}+Z_{K5}\\ ⋮& ⋮\\ Z_{(2n-1)\mathrm{,2}n}=Z_{K(2n-1)}+Z_X{}_{(2n-1)}+Z_{K2n}& Z_{(2n-1)\mathrm{,1}n}=Z_{K(2n-1)}+Z_X{}_{(2n-1)}+Z_{K2n}+Z_{K1}\\ Z_{2n\mathrm{,1}}=Z_{K2n}+Z_X{}_{2n}+Z_{K1.}& Z_{2n\mathrm{,2}}=Z_{K2n}+Z_X{}_{2n}+Z_{X1}+Z_{K2.}\end{array}$$

Из систем уравнений выводим формулу для определения информативных параметров (импедансов внутренних слоев объекта):

$$Z_{Xi}=\frac{Z_{(i-1),(i+1)}+Z_{i,(i+2)}-Z_{(i-1),i}-Z_{(i+1),(i+2)}}{2}$$

где i=1…2n.

По данной формуле определяют импедансы между всеми парами измерительных электродов и по ним судят о глубине пропитки объекта 4.

Так как устройство обеспечивает измерение импедансов на определенном участке объекта, то этим оно создает возможность получения большого объема достоверной информации об объекте. Объем информации увеличивается также за счет измерения в автоматизированном режиме. Последнее определяет еще более высокую скорость проведения измерительных процедур. Он предусматривает использование большого числа измерительных электродов, расположенных на участке объекта в виде овальной формы, проведение двух серий измерений импедансов между измерительными электродами по определенному алгоритму и обработку результатов измерений двух серий по заданному алгоритму. В первой серии способ предполагает проведение измерений между ближайшими соседними измерительными электродами, а во второй - между измерительными электродами, находящими через один измерительный электрод.

Использование предлагаемого технического решения позволит по сравнению с прототипом за короткое время провести измерения в определенном участке объекта и построить его импедансную характеристику, несущую с высокой достоверностью информацию об исследуемом объекте. Обработка данных измерений позволит исключить влияние ряда неинформативных параметров (импедансов измерительных электродов и контактов в местах соприкосновения измерительных электродов с объектом, а также импедансов поверхностных слоев объекта) на точность измерения импеданса внутренних слоев объекта (контроля или исследования), а также позволит повысить эффективность работы АСУ ТП, электронных устройств для определения глубины пропитки объектов, толщины проводящих пленок, включая металлизированные пленки, и т.д.

1. Способ для измерения импеданса во многих точках объекта, включающий измерение импеданса в точках измерительными электродами по длине объекта и определение измеряемого импеданса путем сравнения их результатов, отличающийся тем, что располагают измерительные электроды в виде овальной формы с числом 2n на участке объекта, измеряют импедансы между всеми ближайшими соседними измерительными электродами в первой серии, импедансы между всеми измерительными электродами во второй серии с отличием на единицу, сравнивают эти результаты и определяют импедансы по формуле:
$$Z_{Xi}=\left(Z_{(i-1),(i+1)}+Z_{i,(i+2)}-Z_{(i-1),i}-Z_{(i+1),(i+2)}\right)/2$$ ,
где i = 1…2n.

2. Устройство для измерения импеданса во многих точках объекта, содержащее генератор переменного напряжения, четырехплечую мостовую измерительную цепь, образованную первым, вторым и третьим элементами, первый операционный усилитель, выход которого соединен с общим выводом первого и второго элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, инвертирующий вход с общим выводом второго и третьего элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, неинвертирующий вход соединен с первым выходом генератора переменного напряжения, второй операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя и общим выводом второго и третьего элементов четырехплечей мостовой измерительной цепи, а инвертирующий вход соединен с другим выводом первого элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, другой вывод третьего элемента и второй выход генератора переменного напряжения заземлены, масштабный усилитель, вход которого соединен с выходом второго операционного усилителя, амплитудный выпрямитель, вход которого соединен с выходом масштабного усилителя, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с выходом амплитудного выпрямителя, вычислительное устройство, вход которого соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, два мультиплексора, выход первого мультиплексора соединен с выходом второго операционного усилителя и входом масштабного усилителя, а выход второго мультиплексора соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя и выводом первого элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, один выход вычислительного устройства соединен с входом управления третьего элемента четырехплечей мостовой измерительной цепи, второй выход вычислительного устройства соединен с входом управления масштабного усилителя, отличающееся тем, что в него дополнительно введены 2n-е число измерительных электродов, формирователь прямоугольных импульсов и блок управления мультиплексорами, при этом измерительные электроды расположены на объекте в виде овальной формы и соединены с информационными входами мультиплексоров, причем от 1 до 2n-1 измерительные электроды соединены с первым мультиплексором, а со второго по 2n со вторым мультиплексором, вход формирователя прямоугольных импульсов соединен с генератором переменного напряжения, а выход с входом блока управления мультиплексорами, два равных выходов которого соответственно соединены с адресными входами первого и второго мультиплексоров.